弗吉尼亞理工大學開發出3D打印壓電材料，可被“激活” 用于觸覺感知、沖擊和振動監測以及能量收集等

弗吉尼亞理工大學開發出3D打印壓電材料，可被“激活” 用于觸覺感知、沖擊和振動監測以及能量收集等

美國弗吉尼亞理工大學的團隊開發出一種3D打印壓電材料的新方法。這些壓電材料經過專門設計，可將任意方向上的運動、沖擊與壓力轉化為電能。

一般情況下，由脆性晶體和陶瓷制成的壓電材料只有若干特定形狀，并且對制造場所的潔凈程度有較高的要求。Zheng的團隊開發出的3D打印方法，可以使壓電材料的形狀和尺寸不再受限制。他們開發的材料還可以被“激活”，作為新一代智能材料用于觸覺感知、沖擊和振動監測以及能量收集等。團隊宣稱，這種壓電材料將能夠以不受形狀和尺寸限制的方式進行3D打印。 

一、背景普及：

從智能手機到音樂賀卡，壓電材料幾乎無處不在。然而，壓電材料的功能離不開一種特殊的物理現象：“壓電效應（piezoelectric effect）”。

什么是壓電效應？

下面這幅圖，也許可以給我們一個直觀的印象：在外力作用下，物體產生形變時，電壓產生了。

（圖片來源：維基百科）

簡單說，壓電效應是指：對壓電材料施加壓力，使其產生電位差（正壓電效應）；反之對壓電材料施加電壓，使其產生機械應力（逆壓電效應）。也就是說，有了壓電材料，我們可以利用機械形變產生電場，也可以利用電場產生機械形變，壓電效應為機械能與電能之間相互轉化提供了一種途徑。

二、壓電效應的具體應用案例

一般來說，典型的壓電材料有骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等。壓電材料為我們帶來了各式各樣的應用，例如傳感器、換能器、諧振器、聲納、超聲波成像、能量采集設備等等。

為了讓大家更深入地了解壓電效應的具體應用，下面我們來看幾個案例：

（一）美國賓夕法尼亞州立大學研發出的新型壓電式換能器?？梢圆杉梭w低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。

（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

（二）韓國科學技術院的團隊模仿人類耳蝸中的基底膜，創造出一種柔性壓電薄膜，并進一步開發出基于機器學習、自供電、高靈敏度的聲學傳感器。這種傳感器可用于識別說話的人。

模仿人類耳蝸的柔性壓電式聲學傳感器（圖片來源：韓國科學技術院）

（三）美國密歇根州立大學的團隊發明了一種稱為“鐵電駐極體納米發電機（FENG）”薄膜設備，能從人體運動中獲取能量。這種設備不僅可應用于能量采集，而且還可用于可穿戴設備、智能硬件、音頻設備等多個領域。

(圖片來源：密歇根州立大學)

可是，壓電材料只存在于少數定義好的形狀中，并且由易碎的晶體或者陶瓷制成，此類材料需要凈室才能制造。起初，壓電材料是在十九世紀被發現的。從那時起，制造技術的進步帶來了凈室以及復雜程序以生產膜與塊，經過機械加工之后，這些膜與塊與電子器件相連接。昂貴的工藝以及材料固有的脆性，限制了材料的潛能。

三、創新技術

Zheng 的團隊開發出的模型，可用于操控并設計任意的壓電常數，通過一系列可3D打印的拓撲結構生成一種材料，這種材料可以響應任意方向輸入的力與振動，產生電荷運動。傳統壓電材料中的電荷運動是由其內在的晶體規定的。不同于傳統壓電材料，這種新方法使得用戶可以規定和設定電壓響應，使之可在任意方向上被放大、反轉或者抑制。

（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

Zheng 表示：“我們已經開發出一種設計方法以及打印平臺，自由地設計壓電材料的靈敏度以及操作模式。通過設計3D激活的拓撲學，你在一種材料中幾乎可以實現壓電系數的任意組合，并將它們作為換能器和傳感器使用。這些換能器與傳感器不僅柔韌、強壯，而且也可以通過電信號響應壓力、振動和沖擊，這些電信號能表示來自材料中任意位置的沖擊的方向、量級和位置。”

3D打印的壓電材料跨越人類頭發絲寬度的內部拓撲結構（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

目前的壓電制造工藝中的一個因素就是：采用天然晶體。在原子水平，原子的方向是固定的。Zheng 的團隊制造了一種替代物，它可以模仿晶體，但是卻允許通過設計改變晶向。

Zheng 表示：“我們已經合成了一類高度靈敏的壓電油墨，這些油墨可以通過紫外線雕塑成三維特征。這些油墨含有高濃度的壓電納米晶體。這些晶體與對紫外線敏感的凝膠粘在一起形成一種溶液，像熔融結晶一般的乳白色混合物。然后，我們通過高分辨率的數字光3D打印機來打印。”

團隊通過可以測量人類發絲直徑的分數的比例尺，演示了這種3D打印的材料。Zheng 表示：“我們可以定制這種架構，使之更具柔性，并使用它們，例如作為能量采集器件，包覆任意曲面。”

打印的柔性納米材料薄片（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

這種材料的靈敏度比柔性壓電聚合物高五倍。材料的硬度與形狀可被調整，并能制造成像紗布一樣的薄片或者剛性塊體。Zheng 表示：“我們的團隊將它們制造成可穿戴設備，就像戒指、鞋墊，并將它們安裝到拳擊手套中。在這些設備中，我們能夠記錄沖擊力以及監測用戶的健康狀況。”

賓夕法尼亞州立大學分管研究的副校長、前弗吉尼亞理工大學機械工程系教授 Shashank Priya 表示：“實現期望的機械、電氣與熱學特性的能力，將顯著減少開發實用材料的時間與精力。”

四、應用價值

團隊開發出的3D打印壓電材料的新技術，使它們不再受到形狀或者尺寸的限制。這種材料也可以在激活后，為觸覺感知、沖擊與振動監測、能量采集以及其他應用提供新一代的智能結構與智能材料。

團隊已經打印并演示了這些智能材料，它們包覆著曲面或者穿戴在手與手指上，轉換運動，采集機械能量。但是除了可穿戴與消費電子產品，它們還有更多的應用。Zheng 認為，這項技術將成為機器人、能量采集、觸覺感知和智能結構的一次技術飛躍。在這些領域，完全由壓電材料制成的結構，可以感知沖擊、振動與運動，并監測和定位它們。

團隊打印了一座小型智能橋梁，來演示其感知跌落沖擊位置以及量級的能力，同時它也可以足夠健壯地吸收沖擊能量。團隊也演示了它們作為智能換能器的應用，這種換能器可以將水下的振動信號轉化為電壓。

3D打印的柔性能量采集器（圖片來源：H. Cui / Zheng Lab）

組裝成的具有壓電活性的智能結構傳感器（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

Zheng 的博士研究生、論文第一作者 Huachen Cui 表示：“傳統意義上，如果你想要監測一個結構的內部力度，你需要將許多單獨的傳感器放置在這個結構之上，每個傳感器都具有許多的線與連接器。在這里，結構本身就是傳感器，它可以實現自我監測。”

關鍵字

自供電、能量、3D打印、傳感器、壓電